No.202127 量子信息技术发展与应用 研究报告 中国信息通信研究院 2021年12月 版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院，并受法律保 护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观 点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声 明者，本院将追究其相关法律责任。 前 言 以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术可能引 发信息技术体系的颠覆性创新与重构，并诞生改变游戏规则的变革性 应用，从而推动信息通信技术换代演进和数字经济产业突破发展。 2020 年 10 月，习近平总书记在中央政治局第二十四次专题集体学习 中，做出把握量子科技大趋势，下好先手棋的系列重要指示，为加快 促进我国量子信息技术领域发展提供了战略指引和根本遵循。2021 年 3 月，“十四五”规划正式发布，明确提出量子信息领域组建国家 实验室，实施重大科技项目，谋划布局未来产业，加强基础学科交叉 创新等一系列规划部署。 近年来，量子计算、量子通信和量子测量三大领域科研探索和技 术创新持续活跃，代表性研究成果亮点纷呈，应用场景探索广泛开展， 产业生态培育方兴未艾。我国量子信息技术领域具备良好的研究与应 用实践基础，三大领域总体发展态势良好，未来有望进一步取得更多 技术研究、应用探索与产业培育新成果。 中国信息通信研究院连续三年发布《量子信息技术发展与应用 研究报告》，得到主管部门和业内专家广泛认可。为对量子信息技术 总体发展态势、三大领域研究与应用进展情况和热点问题，及技术 演进和应用前景等进行持续跟踪研判，我们组织研究编写了 2021 年版《量子信息技术发展与应用研究报告》 ，供业界参考。 目 录 一、量子信息技术总体发展态势................................................................................ 1 （一）量子科技突破经典极限，打开未来科学新疆域 .................................. 1 （二）量子信息技术成为全球各国科技政策布局热点 .................................. 3 （三）量子信息各领域科研加速发展，技术创新活跃 .................................. 6 （四）量子信息技术国际国内标准化取得阶段性成果 .................................. 9 （五）量子信息产业培育起步，政产学研协同成趋势 ................................ 11 二、量子计算领域研究与应用进展.......................................................................... 14 （一）多种硬件技术路线并存，工程研发仍面临挑战 ................................ 14 （二）量子软件与算法研发活跃，开源开放多样发展 ................................ 18 （三）实用案例成为关注重点，多领域探索蓄势待发 ................................ 22 （四）量子计算云平台深化发展，各方探索竞争合作 ................................ 25 （五）科技巨头与初创公司并进，产业生态逐步培育 ................................ 30 三、量子通信领域研究与应用进展.......................................................................... 34 （一）量子通信科研多方向不断深化，进展成果丰富 ................................ 34 （二）以星地量子通信为契机促进空间量子科学发展 ................................ 38 （三）QKD 应用场景持续探索，产业化水平仍待提升............................... 41 （四）PQC 升级成大势所趋，QKD 发展需明确定位 .................................. 44 （五）基于 QRNG 的加密应用成为关注与探索新方向 ............................... 47 四、量子测量领域研究与应用进展.......................................................................... 50 （一）量子测量技术发展面向超高精度和超经典能力 ................................ 50 （二）样机性能指标不断提升，新方向探索取得进展 ................................ 54 （三）技术应用场景和领域广泛，多方开拓发展活跃 ................................ 59 （四）量子测量产业化尚处起步阶段，产业链待完善 ................................ 63 五、量子信息技术演进与应用前景展望.................................................................. 66 （一）各领域研究持续推进，应用产业探索广泛开展 ................................ 66 （二）国内外发展态势与促进研究应用发展的关注点 ................................ 68 附录 I：量子信息技术国际/国内标准化进展 .......................................................... 71 附录 II：缩略语表 ...................................................................................................... 75 图 目 录 图 1 量子信息三大领域近年来科研论文发表情况 ................................................. 7 图 2 量子信息三大领域近年来专利申请趋势 ......................................................... 8 图 3 量子信息三大领域专利聚类分析 ..................................................................... 8 图 4 近年全球各国量子信息技术领域产业联盟 ................................................... 12 图 5 量子计算处理器物理比特数和量子体积发展趋势 ....................................... 17 图 6 量子计算软件分类、定位及现状 .................................................................... 18 图 7 IBM 量子计算软件生态培育推广动态 ............................................................ 22 图 8 量子计算实用化应用探索发展方向 ................................................................ 23 图 9 量子计算云平台服务实现示意图 .................................................................... 26 图 10 量子计算领域科技公司和初创企业分布情况 ............................................. 31 图 11 量子计算领域产业联盟发展情况.................................................................. 32 图 12 TF-QKD 传输距离新记录（a）东芝欧研（b）中科大 ............................... 34 图 13 量子信息网络原型试验（a）美国 ORNL（b）荷兰 Delft......................... 37 图 14 基于―墨子号‖卫星和―京沪干线‖天地一体化组网验证 .............................. 39 图 15 中科大基于 PIC 芯片的真空态涨落 QRNG 系统 ........................................ 48 图 16 量子测量技术体系框架 ................................................................................. 51 图 17 量子测量技术的典型应用场景 ..................................................................... 59 图 18 量子测量技术产业链与代表性企业视图 ..................................................... 63 表 目 录 表 1 近年全球量子信息领域项目规划布局与投资情况 .......................................... 3 表 2 ITU-T 量子信息技术标准化进展 ...................................................................... 71 表 3 ETSI 量子信息技术标准化进展 ........................................................................ 72 表 4 ISO/IEC JTC1 量子信息技术标准化进展 ......................................................... 72 表 5 IRTF 量